FRPケーブルの性能を最大限に引き出す定着構造体

FRPケーブルの性能を最大限に
引き出す定着構造体
国立研究開発法人物質・材料研究機構
構造材料研究拠点輸送機材料分野
高分子系ハイブリッド複合材料グループ
主幹研究員
小熊博幸
グループリーダー
内藤公喜
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背景
『革新的イノベーション創出プログラム』
Center of Innovation Science and Technology based Radical Innovation
and Entrepreneurship Program (COI STREAM )
• 文部科学省(MEXT)、科学技術振興機構(JST)
• 「革新材料による次世代インフラシステムの構築」
• 強度、環境、標準化・規格化
• 複合材料の適用範囲の拡大（航空宇宙分野から自動車、
土木建築分野など）
• 長大軽量構造物
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複合材料の適用範囲拡大
「複合材料の耐震補強材としての利用」
CABKOMA
Outer: 1031 rods (14.110~15.750m)
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海洋構造物への適用
• 緊張係留式プラットフォーム
Tension Leg Platform (TLP)
• 鉄管最大2000m程度
Buoyancy
重量（作業性）
腐食
• D > 3000m海底資源
• 大深度海底資源開発
• 新たな技術や材料が必要
D > 3000m
 自重
 共振（疲労）
 座屈
Platform
Tendon
© MODEC, Inc.
『複合材料により新たな道を切り開く！』
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新材料と接合技術の開発
「設計」
• 新材料（複合材料）の開発
• 締結・接続技術の開発
「製造」
信頼性
「使用」
t = 2.5cm
W = 2kgf
20cm
http://www.bbrnetwork.com
炭素繊維／ガラス繊維
複合材料
炭素繊維複合材料
（短繊維）
『材料の真の実力を引き出す』
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供試材
熱可塑性炭素繊維複合材料
 炭素繊維：PAN‐based T700 （東レ株式会社）
 ガラス繊維： E‐class Glass （日本電気硝子株式会社）
 熱可塑性樹脂（ナガセケムテックス株式会社）
CABKOMA™
Impregnation process
材料特性
Material
The number of CF
Diameter
[mm]
Specific density
[g/cm3]
Volume fraction of CF [%]
24K1P
24000
2.3
1.76
24.6
24K2P
48000
2.7
1.74
38.3
24K3P
72000
3.1
1.70
46.2
6
材料強度試験
線材軸荷重、曲げ（静的、疲労）
Test specimen
Target for extensometer
Test specimen
Hydraulic grip
Strain gauge
Grip
Strain gauge
Actuator
引張試験
軸荷重疲労試験
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従来技術とその問題点
締結方法「どのように端部を固定するか？」
Rod
Failure
point
Plates
Adhesive
Steel pipe
1cm
Rod
10cm
タブ
鉄管+接着剤（膨張）
ピン
応力集中、保持力（せん断）
応力集中、保持力（せん断）、腐食、重量
曲率、摩耗、座屈
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新技術の特徴
定着構造体が定着された状態の繊維強化プラスチック（FRP）
ケーブルは、その張力が集中しやすい定着構造体近傍にお
いて損傷を受けやすい。したがって、FRPケーブルが損傷を
受けることを効果的に抑制可能な技術が求められる。
目的：繊維強化プラスチックケーブル
の端部を良好に保持可能とする技術
を提供する。
FRPケーブル
繊維強化プラスチック
傾斜部・保持部から構成される
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新技術の特徴
巻きつけ角
巻き数
FRPシートの種類
例：平織、綾織、繻子織
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従来技術との比較
従来技術
新技術
定着構造体の端部で応力集中が生
じる。
定着構造体の端部での応力集中を
小さくできる。
大型化に伴い金属部が重くなり、作
業性が低下する。
全体として非常に軽量であるため、
作業性が向上する。
環境（海洋、沿岸、温泉地など）によ
り腐食や電食が生じる恐れがある。
金属を用いないため、腐食環境にお
いて特に有用である。
最適な接着剤（樹脂）の選択ならびに
FRPシートの種類、巻く角度、巻き数
管の径や長さなどの決定や安定性
の調整で最適な形状を決めやすい
（形状、硬化締め付け力）の確保が
（高い信頼性）。
難しい。
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実施例（引張・疲労試験片）
(a) 引張
(b) 圧縮
F
保持力
(c) 曲げ
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実施例（引張・疲労試験片）
• 評価部による破断を確認
• 材料の真の強度特性を明らかにすることができる
Failure point
Grip section
Gauge
1cm
破断試験片
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引張試験結果
Volume fractions of the hybrid rods
Material
Stress‐strain curves
Volume fraction [%]
CF
GF
Matrix
Void
24K1P
24.6
39.8
25.5
10.2
24K2P
38.3
29.6
24.5
7.5
24K3P
46.2
23.2
23.4
7.3
破断伸び：2%程度
cf. タブを用いた試験では1.5%程度
• 直線的な応力‐ひずみ関係を示す。
• 炭素繊維の体積率の増加に伴い弾性率と引張強さは上昇
した。
14
Tensile strength
200
2
150
1.5
100
1
0.5
50
0
0
24K1P
24K2P
24K3P
Al alloy
HS Steel
Elastic modulus and tensile strength
70
60
n = 10
Specific rigidity
Specific strength
1400
1200
50
1000
40
800
30
600
20
400
10
200
0
0
24K1P
24K2P
24K3P
Al alloy
HS Steel
Specific rigidity and specific strength
• 引張特性
ρAL = 2.8 g/cm3
ρHS Steel = 7.8 g/cm3
 弾性率: E = 80 GPa ≈ EAl
 引張強さ: σB= 1.8 GPa (1800 MPa) ≈ σB, HS Steel
• 比剛性、比強度
 CF/GF rod >> Metal  長大構造物への利用に適している
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Specific Strength σB/ρ [kN∙m/kg]
Elastic modulus
2.5
Specific rigidity E/ρ [103kN∙m/kg]
n = 10
250
Tensile strength σB [GPa]
Elastic modulus E [GPa]
引張試験結果
引張試験結果（Weibull分布）
Weibull distribution
 
PF  1  exp   L.ult
   L.0



mL



  1 
  mL ln  L.ult   mL ln  L.0 
ln ln 


 1  PF  
Cumulative probability of failure
PF 
i
n 1
Weibull plots of tensile strength
• ワイブル係数（形状係数）： mL
 炭素繊維1本： ~ 10
 CFRPs： ~ 30
強度のバラツキについて議論が
できる
 信頼性の向上へつながる
• 低いボイド率、高強度の複合材料が狭い強度分布を示した。
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疲労試験結果
24K1P
1829
‐0.117
24K2P
1869
‐0.085
24K3P
1947
‐0.084
σw: 550MPa
σw: 300MPa
• 疲労強度：24K3P, 24K2P > 24K1P
• 24K2Pと3PのS‐N曲線の傾きは24K1Pと比較して小さい。
• 緩やかな傾き 炭素繊維において見られる傾向
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疲労試験結果（24K1P 応力比）
R = 0.9
850MPa
R = 0.1
625MPa
450MPa
350MPa
300MPa
応力比の増加（平均応力の上昇）に伴い、時間強度は高くなり、S‐N曲線
の傾きは小さくなった。
 引張が大きくなるにつれて炭素繊維の特性がより明瞭に現れる。 18
変形例（応用例）
FRPロープの強度試験
金型とFRP材を用いた定着構造体の作成
例：短繊維複合材料の使用
19
変形例（応用例）
テーパ部で荷重を受ける
炭素繊維複合材料
（予定）
FRPロープの定着構造体
（軽量、耐腐食）
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想定される用途
• 長大構造物：軽量化
吊り橋、高圧電線、コンクリート構造体，グラウンドアンカー
• 海洋構造物：耐腐食
緊張係留式プラットフォーム
• 基盤研究（材料強度試験）
© MODEC, Inc.
材料および構造の設計と製造の信頼性向上
材料の真の実力を引き出す
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実用化に向けた課題
• 定着構造体製造の自動化と大型化
現時点では手動で製作（巻き付け）を行っているが、定着構
造体を安定に製造するため、機械化ならびに自動化が必要
である。
• 最適設計（形状、材料選択）
定着構造体の設計手法の確立する。
• 張力調整機構（FRPロープ）
張力を調整するための機構を定着構造体に組み込む。
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企業への期待
• 定着構造体の自動（連続）製造機の開発
手動では巻き付ける大きさ、数に限界がある。
• フルスケール・実地試験（大型構造物の試作、強
度試験、耐久試験、曝露試験など）の実施
実際の構造物（例えば海洋構造物）への導入により現場で
の評価を行い、本技術の有効性を示す。
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本技術に関する知的財産権
• 発明の名称
繊維強化プラスチックケーブルの定着構造体及びその製造
方法、強度試験方法、並びに強度試験用サンプル
• 出願番号
特願2015‐137298
• 出願人
国立研究開発法人物質・材料研究機構、小松精練株式会社
• 発明者
内藤公喜、小熊博幸、林豊、中山武俊、野田穂奈美
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産学連携の経歴
•
•
•
•
•
2006年‐2008年
2009年‐2010年
2009年‐2010年
2013年‐2016年
2014年‐現在
キヤノン株式会社と共同研究実施
株式会社羽生田鉄工所と共同研究実施
NTT‐AT株式会社と共同研究実施
トヨタ自動車株式会社と共同研究実施
水戸工機株式会社と共同研究実施
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お問い合わせ先
国立研究開発法人物質・材料研究機構
外部連携部門事業展開室
ＴＥＬ：０２９－８５９－２６００
ＦＡＸ：０２９－８５９－２５００
e-mail： [email protected]

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